Sensores de temperatura: diferenças entre termopar, PT100, NTC, PTC e LM35
INSTRUMENTAÇÃO • TEMPERATURA • SENSORES • METROLOGIA
Sensores de temperatura: diferenças entre termopar, PT100, NTC, PTC e LM35
Termopares, PT100, NTC, PTC e LM35 são utilizados para medir ou detectar temperatura, mas trabalham com princípios físicos e sinais elétricos bastante diferentes. Essas diferenças influenciam diretamente a faixa de utilização, a sensibilidade, a linearidade, a instalação, o condicionamento de sinal e a forma de calibração.
Neste artigo são apresentados os princípios de funcionamento, ligações, equações, vantagens, limitações e aplicações dessas tecnologias, além de aspectos práticos de transmissão, aquisição e calibração de temperatura.
Em resumo: o termopar gera uma pequena tensão termoelétrica; o PT100 altera a resistência da platina; NTC e PTC são termistores cuja resistência varia fortemente com a temperatura; e o LM35 é um circuito integrado que fornece uma tensão analógica proporcional à temperatura.
- Comparação rápida entre os sensores
- Como funciona o termopar
- Como funciona o PT100 e as ligações de 2, 3 e 4 fios
- Como funciona o NTC
- Como funciona o PTC
- Como funciona o LM35
- Do sensor ao PLC, DCS ou microcontrolador
- Calibração de sensores de temperatura
- Qual sensor escolher?
- Sensores e materiais relacionados
- Referências técnicas
Comparação rápida: termopar × PT100 × NTC × PTC × LM35
| Característica | Termopar | PT100 | NTC | PTC | LM35 |
|---|---|---|---|---|---|
| Princípio | Termoelétrico | Resistência da platina | Termistor de coeficiente negativo | Termistor de coeficiente positivo | Circuito integrado |
| Grandeza elétrica | mV | Ω | Ω | Ω | V |
| Excitação do elemento | Não para gerar o sinal | Sim, para medir resistência | Sim | Sim | Requer alimentação |
| Linearidade | Não linear | Boa, com curva padronizada | Fortemente não linear | Dependente do tipo | Aproximadamente linear |
| Sensibilidade | Relativamente baixa | Boa | Alta | Alta em regiões específicas | 10 mV/°C |
| Robustez industrial | Muito alta, conforme construção | Alta | Depende do encapsulamento | Depende do encapsulamento | Mais voltado à eletrônica |
| Uso típico | Fornos, processos e alta temperatura | Processos, máquinas e laboratório | Eletrônica, HVAC e baterias | Proteção e detecção térmica | Eletrônica e sistemas embarcados |
As características acima são comparativas. A faixa, tolerância, resposta dinâmica e limite ambiental dependem do modelo, da construção e do datasheet do sensor efetivamente utilizado.
Termopar: temperatura transformada em força eletromotriz
O termopar é formado por dois condutores metálicos diferentes. Quando existe uma diferença de temperatura entre a junta de medição e a junta de referência, surge uma força eletromotriz associada ao efeito Seebeck.
- E = força eletromotriz do termopar;
- Tmed = temperatura da junta de medição;
- Tref = temperatura da junta de referência;
- SAB(T) = diferença entre os coeficientes de Seebeck dos materiais A e B em função da temperatura.
Tipos de termopar
Entre os tipos mais conhecidos estão E, J, K, N, T, R, S e B. Cada um utiliza uma combinação específica de materiais e apresenta sua própria relação entre temperatura e FEM. Por isso, um instrumento configurado para um tipo incorreto pode indicar uma temperatura errada mesmo que a tensão medida esteja correta.
Compensação da junta fria
O termopar responde à diferença entre a junta de medição e a junta de referência. Nos instrumentos modernos, a temperatura dos terminais costuma ser medida internamente e utilizada na compensação da junta fria. O tipo de termopar e o método de compensação devem ser configurados corretamente.
Atenção: extensões de termopar não devem ser tratadas como simples cabos de cobre. Devem ser utilizados condutores e cabos de extensão/compensação adequados ao tipo e à aplicação, conforme a documentação técnica aplicável.
PT100: o RTD de platina
O PT100 pertence à família dos RTDs (Resistance Temperature Detectors). Sua resistência nominal é de aproximadamente 100 Ω a 0 °C, e a resistência aumenta de maneira previsível com a temperatura.
A relação resistência × temperatura pode ser representada pela equação de Callendar–Van Dusen. Para temperaturas iguais ou superiores a 0 °C, uma forma usual é:
- R(T) = resistência do sensor na temperatura T;
- R0 = resistência de referência a 0 °C;
- T = temperatura em °C;
- A e B = coeficientes da curva resistência × temperatura.
PT100 de 2, 3 e 4 fios
A resistência dos condutores pode introduzir erro significativo na medição de um RTD. Por isso, PT100 industriais podem ser encontrados em ligações de 2, 3 ou 4 fios.
Ligação a 2 fios
É a conexão mais simples, porém a resistência dos dois condutores soma-se à resistência do sensor.
- Rmed = resistência observada pelo instrumento;
- RPT100 = resistência do elemento sensor;
- RL1 e RL2 = resistências dos dois condutores.
Ligação a 3 fios
Dois condutores são conectados a uma extremidade do elemento e um condutor à outra. O instrumento utiliza a terceira ligação para compensar grande parte do efeito da resistência dos cabos, normalmente supondo resistências suficientemente semelhantes nos condutores empregados no método de compensação.
Ligação a 4 fios
Dois condutores são utilizados para a corrente de excitação e outros dois para a medição da tensão no elemento. Essa configuração reduz significativamente a influência da resistência dos condutores e é preferida em medições de maior exatidão.
- RPT100 = resistência do elemento RTD;
- V = tensão medida sobre o elemento;
- I = corrente de excitação conhecida.
NTC: alta sensibilidade e comportamento não linear
NTC significa Negative Temperature Coefficient. Nesse tipo de termistor, a resistência diminui quando a temperatura aumenta. Essa elevada variação de resistência pode fornecer excelente sensibilidade em uma faixa relativamente restrita, porém exige linearização.
Equação Beta
- R(T) = resistência do NTC na temperatura T;
- R0 = resistência conhecida na temperatura de referência;
- T = temperatura absoluta, em kelvin;
- T0 = temperatura de referência, em kelvin;
- B = constante Beta do termistor;
- e = base dos logaritmos naturais.
Equação de Steinhart–Hart
- T = temperatura absoluta;
- R = resistência do termistor;
- A, B e C = coeficientes característicos do sensor;
- ln = logaritmo natural.
Autoaquecimento do termistor
Como a resistência é medida por meio de uma corrente elétrica, o próprio sensor pode dissipar potência e aquecer acima da temperatura do meio.
- P = potência dissipada;
- I = corrente de medição;
- R = resistência do termistor.
PTC: resistência crescente e proteção térmica
PTC significa Positive Temperature Coefficient. A resistência aumenta com a temperatura. Muitos PTCs de uso industrial e eletrônico apresentam uma elevação muito acentuada de resistência em torno de determinada região térmica e são empregados em proteção de motores, transformadores, fontes e equipamentos.
PT100 não é sinônimo de PTC. O PT100 também possui coeficiente positivo de resistência, mas é um RTD de platina com curva padronizada. A designação PTC, no contexto deste artigo, refere-se aos termistores de coeficiente positivo usados principalmente em detecção e proteção térmica.
LM35: temperatura convertida diretamente em tensão
O LM35 é um sensor integrado analógico. Diferentemente dos sensores resistivos, ele contém eletrônica interna e fornece uma tensão proporcional à temperatura em graus Celsius. A família LM35 possui fator de escala nominal de 10 mV/°C.
- VOUT = tensão de saída;
- T = temperatura em °C;
- 10 mV/°C = fator de escala nominal.
Conforme o datasheet da Texas Instruments, a família LM35 opera com alimentação de 4 V a 30 V e possui versões especificadas para uma faixa ampla de temperatura. A versão e o encapsulamento utilizados devem ser confirmados no datasheet.
Qual sensor é mais linear, preciso ou rápido?
Não existe uma única tecnologia superior em todos os critérios. O desempenho depende do elemento, da faixa, da construção, do encapsulamento, da instalação, do circuito de leitura e da calibração.
Velocidade de resposta
O tempo de resposta não depende somente da tecnologia. Diâmetro da bainha, massa térmica, poço termométrico, profundidade de imersão, contato com a superfície, velocidade do fluido e condutividade térmica podem alterar fortemente a resposta dinâmica.
Do sensor ao PLC, DCS ou microcontrolador
Os cinco sensores não entregam o mesmo tipo de sinal. Por isso, não podem ser conectados indiscriminadamente à mesma entrada de um sistema de controle.
Transmissores de temperatura 4–20 mA
Em processos industriais, PT100 e termopares são frequentemente conectados a transmissores de temperatura. O transmissor realiza a conversão, linearização e, conforme o modelo, diagnósticos e comunicação digital. O WIKA T32, por exemplo, aceita RTDs, termopares, resistências e sinais em milivolts e pode ser configurado por HART.
Para um transmissor linear configurado entre LRV e URV:
- I = corrente do transmissor, em mA;
- T = temperatura correspondente ao valor de processo;
- LRV = limite inferior configurado;
- URV = limite superior configurado;
- 4 mA = início da faixa;
- 16 mA = span do sinal elétrico entre 4 e 20 mA.
Erros comuns de instalação
| Tecnologia | Erros e cuidados frequentes |
|---|---|
| Termopar | Tipo configurado incorretamente, polaridade invertida, cabo de compensação inadequado, erro de junta fria e ruído elétrico. |
| PT100 | Ligação 2/3/4 fios configurada incorretamente, resistência dos cabos, corrente excessiva de excitação, profundidade de imersão insuficiente. |
| NTC | Constante Beta ou coeficientes incorretos, autoaquecimento e linearização inadequada. |
| PTC | Interpretação incorreta da temperatura de atuação, aplicação fora da característica prevista pelo fabricante. |
| LM35 | Alimentação, aterramento, ruído, desacoplamento, montagem térmica e faixa da versão utilizada. |
Como calibrar sensores de temperatura?
É importante distinguir simulação elétrica de calibração física do sensor. Simular uma resistência equivalente a um PT100 ou uma FEM correspondente a um termopar permite verificar transmissores, indicadores, controladores e entradas de PLC. Isso não significa que o elemento sensor foi submetido àquela temperatura.
Calibração por comparação
Para avaliar fisicamente o sensor, uma configuração típica utiliza uma fonte térmica, um sensor de referência e o sensor sob calibração. A fonte pode ser um banho, forno, bloco seco ou sistema específico para sensores de superfície.
Bloco seco
Calibradores como Fluke 9142/9143/9144 e Additel ADT875 permitem realizar calibrações por comparação em bloco seco. Na avaliação metrológica, devem ser considerados fatores como estabilidade, uniformidade radial, gradiente axial, profundidade de imersão, carga térmica e adequação do inserto.
Simulação de RTD e termopar
Calibradores multifunção, como o Fluke 753/754, podem medir e simular RTDs e termopares. Na simulação de RTD, o calibrador reproduz eletricamente a resistência correspondente à temperatura configurada. Na simulação de termopar, reproduz o sinal em milivolts correspondente ao tipo selecionado e à condição de referência adotada.
Sensores de superfície
Sensores de superfície exigem uma condição térmica compatível com sua utilização. Um exemplo de equipamento específico é o Presys T-500PS, destinado à calibração de sensores e termômetros de superfície.
Erro de indicação
- E = erro de indicação;
- TDUT = temperatura indicada pelo dispositivo sob calibração;
- Tref = temperatura determinada pelo sistema de referência.
Incerteza de medição em temperatura
Uma calibração deve considerar as fontes relevantes ao método. Entre elas podem estar a incerteza do padrão, estabilidade da fonte, uniformidade, gradiente axial, resolução, repetibilidade, profundidade de imersão, condução térmica, autoaquecimento, compensação de junta fria e ajuste da curva do sensor.
Importante: um excelente sensor pode apresentar um resultado ruim se a instalação, a imersão, o cabeamento, o condicionamento ou a calibração forem inadequados. O desempenho pertence ao sistema de medição completo.
Qual sensor de temperatura escolher?
| Aplicação | Tecnologia frequentemente adequada | Observação |
|---|---|---|
| Fornos e altas temperaturas | Termopar | Selecionar o tipo conforme faixa, atmosfera e construção. |
| Processo industrial com boa estabilidade | PT100 | 3 fios é comum em campo; 4 fios é preferido quando a resistência dos cabos precisa ser minimizada com maior rigor. |
| Motores e máquinas | PT100 ou termopar | Depende da faixa e do sistema de supervisão. |
| Proteção térmica de enrolamentos | PTC | Frequentemente associado a relé ou módulo de proteção específico. |
| Eletrônica e baterias | NTC | Alta sensibilidade e baixo custo. |
| Projetos eletrônicos | LM35 | Saída analógica simples para ADC/microcontrolador. |
| Laboratório | RTD/PRT | A classe e a caracterização dependem do nível metrológico requerido. |
E os termo-higrômetros?
Termo-higrômetros são instrumentos completos destinados à medição de temperatura e umidade. Eles não representam diretamente uma das cinco tecnologias deste comparativo, pois o elemento interno depende do projeto do fabricante. Por isso, modelos de Minipa, Hikari, Incoterm e outros fabricantes ficam melhor organizados na página de Recomendações Técnicas.
Sensores e componentes relacionados
Abaixo estão exemplos comerciais diretamente relacionados às tecnologias explicadas neste artigo. Eles são apresentados como referência de mercado; características, faixa, classe, encapsulamento e compatibilidade devem ser confirmados na página do produto e, quando disponível, no datasheet do fabricante.
Sensor de temperatura PT100 — LogTek
Exemplo comercial de termorresistência PT100 para aplicações de temperatura. Confirme número de fios, faixa, construção e conexão do modelo anunciado antes da utilização.
Sensor de temperatura PT100 — Resispar
Exemplo de PT100 destinado a aplicações industriais. A adequação a caldeiras, fornos, motores, refrigeração e demais processos depende da construção específica do produto.
Sensor Full Gauge SB-12 — Tipo J
Exemplo comercial de termopar tipo J, útil para relacionar a tecnologia termoelétrica apresentada no artigo a uma aplicação real.
Kit termistor NTC MF52 103F — 10 kΩ / B3435
Exemplo de termistor NTC de 10 kΩ utilizado em eletrônica e sensoriamento de temperatura. A curva real deve ser calculada com os parâmetros do componente fornecido.
PTC / termistor LB145F — 145 °C
Exemplo de PTC voltado à detecção/proteção térmica. Não deve ser tratado como substituto direto de um PT100 em medição contínua de temperatura.
Para termo-higrômetros, instrumentos ambientais e outras opções de medição, consulte a página Recomendações Técnicas.
Livro para aprofundamento
Para aprofundar conceitos de instrumentação industrial, sinais, sensores e integração com sistemas de controle, uma referência complementar é:
Perguntas frequentes
PT100 e PTC são a mesma coisa?
Não. O PT100 é um RTD de platina de 100 Ω a 0 °C. Neste artigo, PTC refere-se a termistores semicondutores de coeficiente positivo, frequentemente usados em proteção e detecção térmica.
PT100 precisa de alimentação?
O elemento não contém eletrônica ativa, mas o instrumento de leitura aplica uma corrente de excitação para determinar sua resistência. Essa corrente deve ser adequada para evitar autoaquecimento excessivo.
Termopar precisa de alimentação?
Não para gerar a FEM termoelétrica. O instrumento que mede, lineariza, compensa a junta fria ou transmite o sinal, entretanto, necessita de alimentação conforme seu projeto.
Por que o termopar precisa de compensação da junta fria?
Porque a FEM está associada à diferença entre as temperaturas da junta de medição e da junta de referência. O instrumento precisa conhecer a condição térmica dos terminais de referência.
PT100 de 4 fios é sempre necessário?
Não. A configuração de 4 fios oferece vantagens metrológicas ao minimizar a influência dos condutores, mas 3 fios é amplamente utilizado em instrumentação industrial quando o desempenho atende aos requisitos da aplicação.
Todo NTC de 10 kΩ possui a mesma curva?
Não. Dois NTCs podem ter 10 kΩ na mesma temperatura de referência e constantes Beta ou coeficientes Steinhart–Hart diferentes.
É possível testar um transmissor de temperatura sem aquecer o sensor?
Sim. Um calibrador pode simular eletricamente um RTD ou termopar e verificar o transmissor, indicador ou entrada de controle. Esse ensaio verifica a cadeia eletrônica, mas não calibra fisicamente o elemento sensor.
Conclusão
Termopar, PT100, NTC, PTC e LM35 medem ou detectam a mesma variável física, porém por princípios bastante diferentes. O termopar gera uma pequena FEM termoelétrica; o PT100 utiliza a variação previsível da resistência da platina; o NTC apresenta elevada sensibilidade com resistência decrescente; o PTC aumenta sua resistência e é muito importante em proteção térmica; e o LM35 fornece uma tensão analógica aproximadamente proporcional à temperatura.
A seleção deve considerar não apenas a faixa nominal, mas também exatidão, robustez, ambiente, cabeamento, resposta dinâmica, eletrônica de aquisição, transmissão, manutenção e estratégia de calibração.
O desempenho final pertence ao sistema de medição completo — sensor, instalação, cabeamento, condicionamento, aquisição e calibração — e não apenas ao elemento sensor.
Veja também: Calibração de instrumentos de pressão: manômetros, transmissores, pressostatos e válvulas de segurança.
Referências técnicas
Normas, bases de referência e materiais técnicos
Documentação de fabricantes utilizada como base
Nota técnica: este conteúdo possui caráter educacional e informativo. A seleção, instalação, ligação e calibração de sensores de temperatura devem considerar o datasheet do componente, as instruções do fabricante, as normas e procedimentos aplicáveis, a faixa real de operação, as condições ambientais e os requisitos metrológicos do processo.
As figuras do artigo têm caráter didático. Curvas, faixas e aplicações devem ser confirmadas nas referências técnicas e na documentação específica do sensor efetivamente utilizado.
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